实验“粗”“精”结合有效突破重难点——浅谈粤教选修3-4《初识简谐运动》的教学

广东省佛山市南海区第一中学（528000）刘桂斌

粤教版高中物理选修3-4第1章第1节《初识简谐运动》在教材编排上和旧教材相比有所变化，并没有开始就从受力的角度去研究弹簧振子，而是让学生通过实验与探究、交流与讨论去寻找弹簧振子表象的运动特征，研究它的运动规律，掌握弹簧振子的位移—时间图象，也是编者有意把图象和数学函数这两个知识难点错开。这样的安排起到了一箭双雕的作用，既比较符合学生一般由现象到本质的认识规律，又能够使知识难点分散开来并相互铺垫。因此第1节《初识简谐运动》的重点就是掌握位移—时间图象及简单应用，难点是如何能够得出位移—时间图象。

编者编排教材的这些意图明显，但是在教师的备课过程中发现，教材的安排只适合课堂进行理论分析和探讨，如果要进行实验探究，将会遇到几个问题：一是教材的图1-1-1弹簧振子的运动，见图1或图1-1-2悬挂在弹簧下的小球上下运动的实验，许多学校没有与教材上相对应的实验仪器，要演示或让学生参与这个实验比较困难，教师对这个实验只能够纸上谈兵。二是教材要求用表1-1-1的垂直悬挂弹簧振子的位移和时间的数据作出弹簧振子的位移-时间图象，如果教师的课堂教学按照教

材的要求进行处理，只会让学生把时间浪费在描点和连线上，是本末倒置的做法，学生对如何得出这些数据，为什么能够用来描述图象的疑问得不到解决。

为了达到课堂有效教学的目的，切实落实新课标的要求，让学生通过实验与探究去认识弹簧振子，从而得出弹簧振子的运动图象，在课堂教学中必须要克服教材存在的以上两方面的不足，利用学校实验室现有的仪器，重新设计出能够演示和让学生参与的实验，让学生在实验中掌握和理解。为此，笔者在本节课的教学设计中，根据我校实验室的现有仪器，设计并处理好了下面几个关键问题：

1利用实验室现有仪器组装一个能够代表弹簧振子的装置

弹簧振子是一个理想模型，实验的装置必须满足：①弹簧的质量可忽略；②小球可看作质点；③一切摩擦力和阻力可忽略；④最大位移在弹性限度内。为了尽可能地减小摩擦力和阻力，可以利用实验室的气垫导轨，利用两根弹簧和气垫滑块进行连接，开启气泵后，这样的装置就可以认为是弹簧振子（如图2所示）。

2如何引导学生去探究和得出弹簧振子的位移-时间图象

引导学生探究要采用循序渐进的方法进行。首先可以给学生出一个思考题：要研究弹簧振子的运动，就是要研究振子的位置随时间的变化情况，怎样去研究振子的位置随时间的变化情况？思考这个问题可以让学生明白两点：①我们在研究弹簧振子的运动时必须要选择一个位置作为参考点，根据弹簧振子运动的特点，应该选择振子的平衡位置为参考点，更加方便进行研究；②弹簧振子的位移随时间的变化就能够知道振子的位置随时间的变化，直观的位移-时间图象更加方便研究弹簧振子的运动，从而自然地过渡到本节课的重点和难点。

对如何确定振子对平衡位置的位移随时间的变化？可以组织班级进行集体小游戏，在游戏中分解和突破难点，充分调动学生的课堂参与积极性。

（1）在白纸上用笔尖以某点为中心来回做直线运动，模仿弹簧振子的运动，并且留下笔的痕迹，要求学生回答他停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里（学生回答确定不了位置），然后请同学思考为什么不能够知道停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里（学生回答笔尖的痕迹重叠），如何能够让笔尖的痕迹不重叠（学生回答可以拉纸），再提出是确定的速度匀速拉纸还是任意速度拉纸更方便确定停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里（学生回答确定的速度匀速拉）。

（2）两位同桌相互配合，一个同学在白纸上用笔尖以某点为中心来回做直线运动，另外一个同学拉白纸垂直运动方向做匀速运动，观察笔尖的痕迹，探讨如何确定停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里，得出纸上面的痕迹实际是笔尖运动的位移-时间图象。

3“粗略”的气垫导轨定性实验和“精细”的DIS数字实验相结合，得出弹簧振子的位移-时间图象

3.1由气垫导轨上的弹簧振子画出位移-时间图象

学生模拟的笔尖实验后对图象已经有了一定的理性和感性的认识，但是学生模拟的笔尖运动不是弹簧振子的运动，课堂上要让学生清楚感性认识弹簧振子的图象，可以提出一个问题给学生思考：怎么让气垫导轨上的弹簧振子画出图象？教师可以请两个学生参与实验，“给”气垫导轨上的弹簧振子连接一个针筒作笔，改“画”为“滴”红色墨水，振动后，另外一个学生尽量匀速拉动白纸，在白纸上就可以得到弹簧振子的位移-时间图象（如图3所示）。虽然是由于实验过程中存在一些误差因素，如针筒的摆动、纸拉动的速度难于匀速等，以至墨水滴出的图象不是那么的准确和完美，但已经能够给学生一个比较明确的初步认识。

3.2采用位移传感器使用DIS数字实验软件画出气垫导轨上弹簧振子的位移-时间图象

为了给学生一个更加精确的弹簧振子的位移-时间图象的认识，最后采用在滑块上用橡皮绑上一个位移传感器，把滑块运动时的位移情况通过数据采集器传输到电脑中，通过DIS数字实验软件同步把弹簧振子的位移-时间图象画出来。为了让学生感觉到位移的变化，调零后，先让振子不动，可以看见红线的位移为零，振子运动，画出一系列的曲线，即得出了弹簧振子的位移-时间图象。为了让学生进一步确认该曲线是正弦或余弦曲线，可以通过计算机和标准的正弦或余弦曲线进行拟合（如图4所示）。

收稿日期：2015-03-16